奥运冠军冲刺速度仅相当于家猫？四条腿为啥跑得更快？

▎药明康德内容团队编辑

顶级短跑运动员的跑步速度往往可以达到约45公里/小时，然而这些人类中的“飞人”们与动物王国的四腿哺乳动物相比，只跑出了相当于家猫的最高速度。

更不用提其他动物短跑健将们，猎豹的短跑速度最高能达到超过100公里/小时，约为人类奥运冠军的2倍，羚羊可达到90公里/小时，甚至连疣猪和野兔都能跑出约60公里/小时的速度，远远超过人类的百米飞人们。

为什么这些四条腿的哺乳动物可以跑得比人类快这么多？仅仅因为它们比我们多了两条腿吗？

近日，德国科隆大学（University of Cologne）的研究人员开发出一款生物力学模型，可以计算出任何有腿动物的最大奔跑速度，从而揭开了这些动物“飞人”能够高速奔跑的秘密。

研究人员通过严格的数学函数，纳入空气阻力（与地面水平反作用力达到平衡）与腿部几何解剖结构等物理学与生物学因素，考虑了体型、腿长、脊柱活动等多种身体结构特征，开发了这款生物力学模型。

首先，研究人员发现，多两条腿的确有助于提高奔跑速度。从物理角度看，动物的任何一条腿在着地时都会不可避免地经历机械能损耗。而如果多条腿与地面接触，一条腿的能量损失可以通过另一条腿的功来补偿，并且可以通过不同腿的合作，连续与地面接触以维持速度稳定。

其次，动物的体重会影响它们的奔跑速度。随着体重增加，动物奔跑时所受到的空气阻力就越高，并且肌肉加速到高向心收缩率所需的时间随其质量急剧增加。向心性肌肉收缩力学（concentric muscle contraction mechanics）是影响动物奔跑的重要因素，跑步速度一般随收缩肌纤维的长度变化率而增加。

此外，动物奔跑的最高速度还取决脊柱的灵活性、腿长等因素。例如，许多四足哺乳动物能够利用它们的躯干肌肉进行快速收缩推进，得以“飞驰（gallop）”。然而，如果动物变得太重，即使是更强大的肌肉也无济于事，因为更大的肌肉需要更多的时间以高速收缩。

经典的例子是老鼠和大象。一只大象大小的老鼠根本不可能存活，因为它的骨头会在自身重量下断裂。相对于它们的体重来说，大象的骨骼更厚更重，腿也更长更直，这些生物特征使大象能够拥有巨大的体型。但是沉重的骨头和难以弯曲的腿同时也限制了大象的奔跑速度，尽管它们的腿比猎豹长得多，在步幅上拥有优势。

在人体几何学方面，该模型表明，顶级短跑运动员们已经非常接近他们身体结构所能达到的最佳速度。除了外骨骼装备或特殊跑鞋等外用技术，以延长有效弹簧或提供额外的弹性，只有更长的腿或更有弹性的肌腱才能让运动员拥有更高的速度。

换而言之，我们的健儿们已经在人体力学范围内通过不懈的训练，达到了他们的速度极限，值得我们钦佩并为之喝彩！

参考资料：

[1] Günther， M。， et， al。 （2021）。 Rules of nature’s Formula Run： Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed。 Journal of Theoretical Biology， 523， 110714。 https：//doi.org/10.1016/j.jtbi.2021.110714

[2] Why four-legged animals are better sprinters。 Retrieved July 23， 2021， from https：//www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210723105319.htm